大众ID.3新能源汽车用LG 78 Ah软包电池拆解和表征

德国慕尼黑工业大学F. J. Günter等人将来自大众ID.3新能源汽车的标称容量为78 Ah的大软包电池进行了拆解和分析，以了解汽车应用中工业规模软包电池的最新技术水平。他们将电池的各组件彼此分开，然后进行几何测量，并称重以量化从电极到电池各个部分的体积和重量分数。通过扫描电子显微镜（SEM），元素分析，和压汞法分析了电极的材料样品，用半电池评估了电化学性能。

据推断，大众ID.3搭载的是LG的软包590模组，电池包总电量为62kWh，基本信息为：

总重量：376kg 

化学体系：NCM 712    

电池拆解过程如图1所示，先将电池以C/4进行CC-CV放电至3.0 V，截止电流为1 A，然后转移至手套箱内进行拆解。切开铝塑膜，再切断焊接了极耳的箔材，剥开胶带，将正、负极极片和隔膜完全拆开，然后进行测试和分析。        

图1  电芯拆解过程

电池结构与电极设计     

极片清洗完涂层后测试集流体厚度，正、负极集流体分别为14 μm铝和12 μm铜箔；

正负极都是两面涂层，负极极片涂层的面积为9.7×51.2 cm2 ，正极涂层的面积为9.5×51 cm2；

负极的单面涂层面密度为18.1 mg/cm2，负极单面涂层的厚度为115.3μm，双面涂层极片厚242.6±6.1μm（含箔材）；

正极单面涂层负载量为27.9 mg/cm2，单面涂层厚度为87.3 μm，双面涂层极片厚188.5±7.1μm（含箔材）；

压汞法测量极片涂层孔隙率和孔径分布，结果如图2所示。正负极极片涂层的总孔隙率约为22%，孔隙率偏低，可能电解液残留物和SEI膜降低了孔隙率。正极孔径平均值0.7μm，负极孔径呈现双峰分布，孔径分别为0.01μm和2μm。   

隔膜尺寸为10×51.7 cm2，厚度17.6±2.1μm；

铝塑膜厚度144μm，外形尺寸98×53.5 cm2 ，两层封住电芯；

电芯由38个隔膜、19个负极片和18个正极片组成；

叠片之后用五条胶带包裹电芯，胶带厚度38μm，宽3cm，长23cm。

图2  极片涂层孔隙率及孔径分布

如图3所示，正、负极极耳使用铝和镀镍铜，极耳面积均为22.5 cm2，通过超声波焊接在箔材上（负极箔材留白区宽度4.5cm，每一片箔材横截面积为4.5cm*12μm≈0.54mm2 ，正极箔材留白区宽度4.5cm，每一片箔材横截面箔材的面积为4.5cm*14μm≈0.64mm2）。

图3  极耳局部图

测量各个组件的质量和体积，电池总重1.101 kg，体积为0.438 L，各组件的质量和体积如表2所示。使用负极（236 μm）、正极（182 μm）和隔膜（15 μm）厚度的最小测量值计算这些组件的体积和体积百分比，考虑电池的压缩以及极片残留物，根据电极和基底箔材之间的差值计算涂层质量和体积。蒸发的电解质溶剂和空的空间由电池总和和各个组分之差确定。根据4至8个样品的测量值确定平均值和标准偏差。图4展示了每种组分的重量和体积的比例。含有活性材料的正负极电极涂层占电池75.7%重量和81.6%体积。此外，芯堆外的电解液或死体积约1.4%，显示了高的空间利用率，因而软包电池的质量和体积能量密度比较高。    

表2  电池各组件的质量和体积及其百分比

图4  电池组分的重量和体积百分比

材料表征    

图5展示了负极（a）和正极（b）的SEM图像。负极主要由直径为20μm的片状颗粒组成。正极的图像显示球形颗粒粒径双峰分布，双峰直径为3μm和9.5μm。这些二次颗粒由密集堆积的一次颗粒（≤ 1 μm）组成。EDX测量负极涂层的四个最大质量分数的元素：碳为86.4%，氧为6.4%，氟为5.7%，磷为1.1%。ICP元素分析也证实了碳含量为87%，氢含量为0.9%。根据高的碳含量以及颗粒的典型片状形状确定负极材料是石墨，EDX和ICP-AES都没有显示出负极中有硅迹象（重量≥0.05%）。该层中高百分比的氧来源于SEI以及电解质的溶剂残留物。氢和磷可归因于电解质和SEI的组分，但也可能是粘合剂。

对于正极，EDX显示活性材料为NMC，其组成在622和C811之间，元素重量百分比：镍为65.1%，钴为15.5%，锰为19.4%。ICP-AES结果表明，锂测量重量百分比为5.99 ± 0.05%，镍为33.53 ± 0.32 w%，钴含量为7.78 ± 0.08%，锰含量为9.45 ± 0.1%。结合金属的摩尔质量，确定阴极材料为LiNi0.65Mn0.2Co0.15O2。根据公开资料显示，LG化学该款电芯正极采用NCM712材料体系。

图5  负极和正极的SEM图像

电化学性能

电池标称容量78Ah，电池在20℃下C/50放电容量为79.9Ah，能量295.4Wh。计算电池比能为268 Wh/kg，体积能量密度为674 Wh/L。    

将极片组装成纽扣电池，C/50倍率测得极片单面涂层面容量，负极为5.23mAh/cm2，正极为5.02 mAh/cm2，N/P比计算为1.04。

根据C/50测试实际容量79.9Ah，正极极片面积9.5×51 cm2 *2*18=17442 cm2，计算极片面容量为79900mAh÷17442 cm2=4.58 mAh/cm2，这个计算值比纽扣电池的测试值（5.02 mAh/cm2）更低，电池容量利用率4.58÷5.02=91.2%。

正、负极纽扣半电池倍率性能如图6所示，由于与原始电池相比电解质已经发生了改变，因此结果仅作为定性参考。正极的倍率性能优于负极，0.5C下负极面容量仅维持一半，因此推断电池性能受限因素在负极。     

图6  正、负极纽扣半电池倍率性能

参考文献：F. J. Günter and N. Wassiliadis, State of the Art of Lithium-Ion Pouch Cells in Automotive Applications: Cell Teardown and Characterization, 2022 J. Electrochem. Soc. 169 030515